лабораторные работы / лаба №3

Практическая работа № 3

Расчет центрирующих пружин золотника

Специфика работы центрирующих пружин электрогидравлического усилителя заключается в том, что после снятия управляющего сигнала с электромеханического преобразователя они должны возвращать золотник в нейтральное положение, а при перемещении золотника под действием перепада давлений в его торцевых полостях оказывать сопротивление перемещению. После снятия управляющего сигнала на золотник с одной стороны, кроме сил сжатия пружины, помогающей перемещению, действуют гидравлическая сила со стороны проходящей через золотник жидкости и сила трения , препятствующие перемещению. Таким образом, сила со стороны противоположной пружины, определяемая ее начальным поджатием, должна быть больше суммы гидравлической силы и силы трения, чтобы надежно возвратить пружину в нейтральное положение.

Определим числовое значение :

,

где - коэффициент силы трения;

- масса цилиндрического золотника, кг;

- ускорение свободного падения, м/с².

Массу цилиндрического золотника найдем произведением его объема на плотность материала .

,

,

где - диаметр золотника;

- ширина центрального пояска золотника;

- ширина крайних поясков золотника;

- диаметр шейки золотника;

- ширина шейки золотника.

Тогда сила трения будет равна:

.

При смещении цилиндрического золотника в гильзе возможно попадание твердых микрочастиц, содержащихся в жидкости, в зазор между золотником и гильзой. Сила трения при этом многократно увеличивается. Учтем это обстоятельство увеличением расчетного значения силы трения в несколько десятков раз, введя коэффициент .

.

Рисунок 1 – Схема возникновения осевых гидродинамических сил на цилиндрическом золотнике ЭГУ

Осевая гидродинамическая сила обусловлена взаимодействие потока рабочей жидкости, протекающей через рабочие окна и внутренние полости золотникового распределителя. При течении через окна распределителя осевая гидродинамическая сила складывается из двух составляющих и , изображенных на рисунке 1.

возникает в результате реактивного действия потока, вытекающего из линии нагнетания, а - в результате удара струи о торец бурта при входе жидкости в сливную полость распределителя:

,

,

,

где - рабочая жидкость TEBOIL POWER SAE 10W-30;

- расход жидкости через распределитель;

- скорость течения жидкости через кольцевой зазор в линии нагнетания, м/с;

- угол истекания;

- коэффициент пропорциональности, учитывающий связь между средними скоростями удара струи и средней скоростью жидкости в окне в линии слива;

- скорость течения жидкости через кольцевой зазор в течении слива, м/с.

Скорость течения жидкости через кольцевой зазор в линиях нагнетания и слива определим при максимальном перемещении золотника ЭГУ и ширина рабочего окна .

.

Кроме составляющих сил и , обусловленным взаимодействием установившегося потока с золотником, в золотниковом гидрораспределителе могут иметь место и составляющие, обусловленные изменением скорости жидкости в соответствующих камерах золотника и определяемые скоростью изменения расхода и осевой длиной потока. Однако у цилиндрических золотников осевые длины потока в камерах нагнетания и слива практически равны, напряжение же расходов в этих камерах разное, поэтому обычно динамической составляющей осевой гидродинамической силы на практике пренебрегают.

Тогда

,

,

.

Определим силу начального поджатия пружины , учитывая необходимость надежного возвращения золотника в исходное положение после снятия управляющего сигнала:

,

где - коэффициент запаса,

.

Определим расчетное усилие со стороны пружины при максимальном перемещении золотника:

,

- жесткость пружины.

.

Полное усилие со стороны пружины с учетом начального поджатия в этом случае составит:

.

Для выбора конкретного типа пружины определим интервал полного усилия со стороны с учетом запаса по силе 5÷25%.

Диаметр пружины принимаем по конструктивным соображениям, исходя из геометрических размеров золотника и способа центрирования по наружному или внутреннему диаметру. Применительно к решаемой задаче целесообразно центрировать пружину по внутреннему диаметру. Для этого на торцах золотника выполняют конусы или цилиндрические удлинения.

Пружины сжатия характеризуются классом (I, II и III) и разрядом (1,2 и 3). Класс пружины определит допустимое число циклов нагружения, а разряд – диаметр усилий пружины. Для ЭГУ целесообразно использовать пружины I и II классов и 1-го разряда. В этих пружинах используются различные марки стали, и применяются разная термообработка.

С учетом всего изложенного выше выбираем пружину № 326 II класс 1-го разряда, изготовленную из стали по ГОСТ 9389-75 с размерами витков по ГОСТ 13770-68 с параметрами:

- диаметр проволоки пружины;

- наружный диаметр пружины;

- жесткость одного витка;

- наибольший прогиб одного витка.

Вычислим расчетный шаг , м, пружины, исходя из дополнительного напряжения пружины при сжатии ее до сопротивления витков:

,

где - допустимое касательное напряжение;

- модуль сдвига для сталей;

- коэффициент, учитывающий кривизну витка и влияние поперечной силы;

,

где - индекс пружины;

,

.

Рассчитаем число рабочих витков и полное число витков пружины по формулам:

,

,

где - число опорных витков;

.

Определим длину ненагруженной пружины и предварительное поджатие пружины:

,

.

Сравниваем полное усилие сл стороны пружины и максимальное усилие пружины . При этом должно выполняться условие:

,

.

Однако условие не выполняется.

Если условие не выполняется, необходимо выбрать другую пружину и повторить расчет.

Теперь следует проверить, не превышает ли прогиб одного витка наибольшего допустимого прогиба . Для этого вычислим длину сжатой пружины

и шаг сжатой пружины

.

Деформация одного витка составляет:

,

,

.

Условие выполняется. Если условие не выполняется, необходимо выбрать другую пружину и повторить расчет.

Долговечность работы пружины обеспечивается отсутствием соударения ее витков. При этом должно выполняться условие:

,

где - скорость перемещения витков пружины под нагрузкой, м/с;

- критическая скорость перемещения пружины, м/с.

Перемещение золотника проектируемого ЭГУ составляет за время . Скорость перемещения золотника и связанной с ним пружины определяется по формуле:

.

Вычислим критическую скорость пружины:

,

где - касательные напряжения, Н/м²;

- относительный инерционный зазор пружины;

- модуль сдвига для пружинной стали;

- плотность пружинной стали.

Касательные напряжения для выбранных класса и разряда пружины определяется формулой:

,

где - предел прочности материала пружинной проволоки;

,

.

Таким образом

.

Условие выполняется.

Если условие не выполняется, не выполняется, необходимо выбрать другую пружину и повторить расчет.

При эксплуатации пружины для их центрирования обычно используют направляющие. Если выполняется условие: , то пружина может эксплуатироваться без направляющих. В нашем случае:

,

.

Условие выполняется.

					Практическая работа № 3	Лист
						8
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата